6.3. Азотирование

Азотированием называется насыщение поверхностного слоя детали азотом для получения в нем высокой твердости, износостойкости, усталостной прочности и сопротивления коррозии.

При азотировании деталь помещается в герметически закрытые стальные емкости, в которые поступает аммиак. Емкости помещаются в нагревательную печь и выдерживаются при 500…600 С в течение длительного (до 60 ч) времени. При такой температуре аммиак разлагается на азот и водород: NH₃3H+N. В результате образуются нитриды железа. Однако последние не обеспечивают высокой твердости. Поэтому для ее получения производится совместное легирование стали такими элементами, как хром, молибден, алюминий.

Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов, азотированию чаще всего подвергаются легированные среднеуглеродистые стали, например 38Х2МЮА, 35 ХМА, 38ХМА, 38Х2Ю, 3Х2В8, 5ХНМ и др. Высокая твердость после азотирования достигается сразу, что не требует дополнительной термической обработки.

Однако, по сравнению с цементацией, для азотирования требуется более длительное время и необходимость использования дорогостоящих легированных сталей. Поэтому оно применяется в случае изготовления более ответственных изделий, для которых требуются особо высокие показатели качества поверхностного слоя – мерительного инструмента, цилиндров, зубчатых колес, гильз, втулок, коленчатых валов и др.

6.4. Насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом

При совместном насыщении стали азот способствует диффузии углерода, что дает возможность снизить температуру процесса до 850 С и получить практически такое же насыщение, как при цементации. При этом уменьшается рост зерна аустенита и последующую закалку можно проводить сразу же после некоторого подстуживания. Такой технологический процесс называется нитроцементацией. В связи с тем, что исходной насыщающей средой является смесь цементирующего газа с 4…5 % NH₃ в поверхностном слое детали образуются карбонитриды. Полученная структура хорошо сопротивляется износу и коррозии и используется для упрочнения поверхностей нешлифуемых изделий.

Одновременное насыщение стали углеродом и азотом можно также осуществлять в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий. Такая технология называется цианированием. В составе расплава 20…25 % NaCH, 25…50 % NaCl и 25…50 % Na₂Co₃. За 1 час выдержки при температуре 820…850 С диффузионный слой достигает величины 0,3…0,4 мм, который после закалки с температуры насыщения и последующего отпуска при температуре 180…200 С приобретает твердость 58…62 HRC и высокую износостойкость.

Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с высокими требованиями к правилам техники безопасности по причине высокой токсичности цианистых солей.

6.5. Диффузионная металлизация

Для многих изделий машиностроения требуются такие свойства, как высокая жаростойкость, повышенная износостойкость, коррозионная стойкость, значительная твердость и др. Традиционными способами получения таких покрытий являются алитирование (насыщение алюминием), хромирование, силицирование (насыщение кремнием), борирование путем применения порошковых смесей, содержащих диффундирующий элемент, активизатор (NH₄Cl, NH₄J и др.) и нейтральный порошок (шамот, глинозем и др.) для предотвращения спекания смеси.

Насыщаемые изделия, находящиеся в порошке, упаковываются в металлические контейнеры, нагреваются в печи до температуры 1000…1200 С и выдерживаются в течение нескольких часов для получения диффузионных слоев заданной толщины и структуры.

При алитировании детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки Al₂O₃ толщиной 0,2…0,5 мм, предохраняющей металл от окисления даже при высоких температурах.

Хромированием достигается высокая стойкость против газовой коррозии, коррозии в обычной и морской воде, в кислотах. Толщина слоя достигает 0,2 мм.

Силицирование придает поверхностям изделий высокую кислотостойкость в соляной, серной и азотной кислотах, поэтому используется чаще всего в химической и нефтяной промышленности. Толщина слоя колеблется в пределах 0,3…1 мм.

Борированием достигается исключительно высокие твердость, износостойкость и устойчивость против коррозии в различных агрессивных средах. Поверхностный слой борида железа достигает величины 0,1…0,2 мм.

Контрольные вопросы

1. Что называется химико-термической обработкой сплавов? В чем ее назначение? назовите основные стадии технологического процесса.

2. Приведите назначение и технологию цементации. Какова структура цементованного слоя?

3. Каковы виды термообработки цементованных сталей?

4. Приведите назначение и технологию азотирования и нитроцементации. Какова структура азотированного слоя?

5. Что такое диффузионная металлизация? Назовите ее назначение и виды. Каковы свойства стали после диффузионной металлизации?